Nye selvhelbredende materialer udviklet til test på den internationale rumstation

Nogle materialer, der anvendes i rumfartsapplikationer, såsom polymerer, kan nedbrydes og eroderes ved langvarig eksponering for atomart oxygen, ultraviolet stråling, og ekstrem temperaturcyklus i det ydre rum. Også, fordi kredsende rumfartøjer såsom den internationale rumstation rejser omkring 18, 000 miles i timen, mikrometeoroider og andet rumaffald udgør en alvorlig trussel mod integriteten af ​​lette rumstrukturer bestående af polymerer og deres kompositter.

Introduktion af selvhelbredende materialer, der inkorporerer specialdesignede nanopartikler og mikropartikler, kunne give en mere holdbar løsning til rumstrukturer. Flere laboratorier ved University of Illinois Urbana-Champaign arbejdede sammen for at imødegå denne udfordring, og for første gang, sendt selvhelbredende materialer i kredsløb til test på ISS National Laboratory.

"De materialer, vi bruger, er nye nanokompositter, baseret på termohærdende polydicyclopentadien (pDCPD)-matrix blandet med selvhelbredende komponenter, som kan hærdes på få minutter til timer sammenlignet med traditionelle termohærdende polymerer, der tager dage at hærde inde i en autoklave. Også, disse nye pDCPD-baserede materialer er modtagelige for additive fremstillingsteknikker med potentiale for hurtig fremstilling eller reparation af dele lige hvor de er i rummet, " sagde Debashish Das, en postdoc ved Institut for Luftfartsteknik ved UIUC.

Professorerne Nancy Sottos og Ioannis Chasiotis er finansieret af Air Force Office for Scientific Research og ISS National Lab til at udvikle prøver, der ville blive monteret mod tre forskellige retninger på ISS, fordi hver side af ISS er udsat for forhold med forskellige mængder af ultraviolet stråling og atomær oxygen:ram, i kørselsretningen; vågne i den efterfølgende retning; og zenit, vender væk fra jorden.

På grund af de høje omkostninger ved at udføre eksperimenter i rummet, hver prøve skulle være på størrelse med viskelæderet oven på en blyant. I alt, 27 prøver blev fastgjort til tre plader, hver er en tomme kvadrat. Et vindue over hver prøve tillader eksponering for rummiljøet.

Aerospace-kandidatstuderende Eric Alpine og AE-fakultetet Michael Lembeck brugte deres faciliteter i Talbot Laboratory til at bestemme det flygtige indhold i prøverne, der skulle udsættes for rummet. Prøverne blev bagt under højvakuum ved 176 grader Fahrenheit i 24 timer for at simulere accelererede rumforhold. Massetabet af alle prøverne forblev inden for den acceptable grænse tilladt af NASA.

Materialevidenskab og ingeniør Ph.D. studerende Kelly Chang og postdoc Mayank Garg, i Autonomous Materials Systems Group på Beckman Institute, udviklede selvhelbredende strategier og fremstillede alle prøverne.

"Baseret på et tidligere eksperiment på ISS af professor Chasiotis' gruppe, vi ved, at indlejring af glasnanopartikler i alle prøverne vil forbedre erosionsbestandigheden, " sagde Chang. "I professor Nancy Sottos' gruppe, vi har eksperimenteret med en mere aktiv mekanisme til at modstå erosionsskader. Vi indlejrede mikrokapsler, holder aktive materialer, der udløses, når den atomare ilt i rummet sprænger kapslerne og tillader den flydende kerne af disse kapsler at reagere."

Chang sagde, at der også er prøver, der ikke indeholder kapslerne, og at disse prøver vil fungere som kontroller til senere eksperimenter. Prøverne indeholder også standard epoxy i rumfartskvalitet til sammenligning.

Das sagde, at hvis disse selvhelbredende polymerer viser sig at være vellykkede i rummet, det kunne være et stort plus for fremstilling i det ydre rum. "Det er et langsigtet mål, " han sagde, "skal fremstilles i rummet."

Garg tilføjede, "Hvis vores hypotese om, at disse nye materialer modstår erosion i en længere periode sammenlignet med epoxy-baserede materialer, holder, så vil vi have et alternativ til epoxydominerede markeder for rum, såvel som jordbaserede applikationer."